本发明涉及一种水性丙烯酸聚氨酯面漆，具体而言，涉及一种机车车辆用厚涂型水性丙烯酸聚氨酯面漆及其制备方法和应用。
背景技术：
水性涂料因为在施工过程中不加有机溶剂，用水作稀释剂，大大减低了涂装施工的voc排放，同时也改善了涂装工人的作业环境。近年来，在轨道交通领域涂装也开始水性化，但在轨道交通特别是机车车辆方面，因涂装工艺要求高，对漆膜的外观、厚度和耐水、耐化性能要求高，水性涂装工艺质量问题较多。轨道交通要求面漆膜厚在60μm以上，且外观要求平整，无较重橘纹和起泡、流挂等漆膜弊病。普通的水性涂料施工厚度一般一道喷涂干膜厚度30-50μm，若一次喷涂过厚，易发生漆膜流挂，起泡、针孔等漆膜问题。
cn110885616a一种轨道交通车辆用厚涂型水性环氧面漆，包括漆料和固化剂，所述漆料包括以下重量份的原料：水性丙烯酸杂化环氧树脂45～55份、硫酸钡15～20份、气相二氧化硅0.2～0.4份、高分子量嵌段共聚物分散剂2～2.5份、颜料19～22份、聚硅氧烷消泡剂0.5～0.6份、流平剂.3～0.5份、增稠剂2.0～3.0份、余量为去离子水，一次喷涂漆膜厚度可达100μm以上，涂膜优异的附着力、良好的耐冲击性和厚涂性能。
但该发明的厚涂水性环氧面漆主要用于需要厚涂的车辆转向架和底架部位，该产品主要是提高厚涂和漆膜弹性，对外观要求不高，主体树脂是环氧树脂乳液，漆膜的耐候性能很差。
cn102977760a公开了一种厚膜型聚氨酯面漆，属新材料技术领域，涉及重防腐工程领域。所述厚膜型聚氨酯面漆，由下列原料制成，包括醇酸树脂，羟基丙烯酸树脂，脂肪族聚异氰酸酯含量为醇酸树脂与羟基丙烯酸树脂重量之和的25％—30％，钛白粉，消泡剂，分散剂，流平剂，流变助剂，有机膨润土，以及稀释剂。喷涂时干膜范围为50-60μm，从而可以使传统的3～4道涂层工序简化为2～3道涂层工序，简化了涂装体系，缩短了施工时间，加快了涂装速度，同时也加提高了钢结构制作的效率。
但该发明的厚涂型聚氨酯面漆是一种低溶剂树脂涂料，属于一种特殊类的溶剂型涂料，主要特点是产品粘度低，固含高、干燥快，施工时会加入有机溶剂，比其他溶剂型涂料voc较低，但较水性涂料而言，其使用时voc含量还是过高。且车体外墙的漆膜施工膜厚高于其50-60μm的要求，且对外观要求严格，不能满足车体外墙漆的性能要求。
cn101104765公开了一种水性丙烯酸面漆，包括水性丙烯酸乳液10～60wt％，着色颜料3～25wt％，填料5～20wt％，成膜助剂2～15wt％，流平增稠剂0.5～1.5wt％，软化水9～23wt％，其它助剂0.5～2.6wt％；所述其它助剂包括分散剂、润湿剂、消泡剂、防腐剂、防霉剂和中和剂；可以达到油性丙烯酸面漆的涂装效果，光泽可以达到40％；初期耐水性好，可以通过是水密封试验；另外，该水性丙烯酸面漆对环境无污染，对施工人员身体健康无害，使用安全方便；适合高压无气喷涂，施工效率高，单道涂装涂层厚度可达30－100微米，不流挂，不开裂，一道就可完成面漆施工。
但该此发明是一种集中箱用水性面漆涂料，对漆膜的外观和光泽及耐耐化性能要求远达不到机车车辆用面漆的要求，该产品更加注重于耐水和防腐性能、施工的快干和厚涂。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种用于车体外墙的厚涂水性丙烯酸聚氨酯面漆，漆膜外观优异，有很好的耐候性、耐水和耐化性能，同时产品涂装过程中一道喷涂成膜，满足机车车辆的涂装施工工艺要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种水性丙烯酸聚氨酯面漆，包括漆料和固化剂，所述漆料包括：羟基聚丙烯酸酯水分散体、羟基苯乙烯丙烯酸共聚物、颜填料、饱和聚酯树脂和助剂；所述助剂中包括聚氨酯缔合型增稠剂；所述固化剂包括hdi三聚体和ipdi。
优选的，所述助剂包括气相二氧化硅、分散剂、表面活性剂、消泡剂、润湿剂、紫外光吸收剂、光稳定剂、ph调节剂、助溶剂和溶剂。
优选的，所述羟基聚丙烯酸酯水分散体包括1号羟基聚丙烯酸酯水分散体和2号羟基聚丙烯酸酯水分散体，其中1号羟基聚丙烯酸酯水分散体和2号羟基聚丙烯酸酯水分散体都是羟基聚丙烯酸酯水分散体。但两者的固含、羟基含量不一样。
1号羟基聚丙烯酸酯水分散体固含较低，固含为40-43％；羟基含量较高，羟基含量为4％-4.5％；漆膜流平性更好，光泽度更高，而2号羟基聚丙烯酸酯水分散体的固含较高，固含为44-50％；羟基含量低，羟基含量为3.5％-3.9％；漆膜耐化性更好，产品的活化期更长。两者搭配使用，并调整整体配方，使涂膜能兼具两类水性树脂乳液的优势，得到性能更优的漆膜。
优选的，所述羟基苯乙烯丙烯酸共聚物是是由聚丙烯酸酯单体和苯乙烯单体共聚而成。
所述羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂，树脂的羟基含量低，羟基含量为1.0％-1.5％；交联反应产生的co2能释放出来，不产生气泡。同时该树脂的玻璃化温度高达56℃，漆膜不易流挂，适合厚涂。
优选的，按重量份计，所述水性丙烯酸聚氨酯面漆包括1号羟基聚丙烯酸酯水分散体20～25份，羟基苯乙烯丙烯酸共聚物8～10份，2号羟基聚丙烯酸分散体8～10份，气相二氧化硅0.8～1.0份，分散剂2.0～2.5份，表面活性剂0.8～1.0份，消泡剂0.2～0.3份，润湿剂0.3～0.5份，紫外光吸收剂0.4～0.6份，光稳定剂0.4～0.6份，颜填料25～30份，饱和聚酯树脂3～5份，聚氨酯缔合型增稠剂0.3～0.5份，助溶剂0.8～1份，溶剂13～16份、ph调节剂0.3～0.5份。
优选的，所述助溶剂为二元醇醚酯类高沸点溶剂。
二元醇醚酯类高沸点溶剂，有优异的溶解能力，少量的加入可有效提升漆膜的流平性能。
优选的，所述分散剂为阴离子型聚合物分散剂。
阴离子型聚合物分散剂其对涂料体系浓缩浆的分散效果及储存稳定性均匀较佳。
阴离子型聚合物分散剂有很大的位阻效应，带电荷的基团与颜料离子产生锚固效应，使颜料离子在相互碰撞时更加稳定不会絮凝，同时聚合物分散机都是高分子，高分子链段很好的溶解和展开，有减低体系粘度的作用，加入少量的水，即可达到施工状态，使的涂膜喷涂后能有较厚的膜厚。
优选的，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。
优选的，所述表面活性剂为炔二醇非离子表面活性剂。
由于特殊的炔二醇结构，产品具有润湿，消泡，改善分散性，提高流动和流平性等多种功能，可有效降低表面张力，控制泡沫，稳定稠度和粘度。与传统表面活性剂相比具有更低的水敏性，适用于水性体系。具有较低的动/静态表面张力，能够迅速降低体系的动/静态表面张力并快速向表面迁移，保证基材的良好润湿，同时该表面活性剂的动态表面张力与静态时变化不大，这一特点可使体系在剧烈运动时依然可以很好地润湿基材，如喷涂，滚涂，刷涂等界面快速形成过程。可以避免厚涂产生的一些漆膜弊病。
优选的，所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂。
消泡剂为硅氧烷类消泡剂，其具有好的消泡效果。
硅氧烷类消泡剂能平铺在漆膜表面，减低表面张力，使气泡膜变薄而破裂，消泡能力强，漆膜厚涂的气泡多，难以消除，使用该类消泡剂，使涂膜厚涂时不会有气泡的产生，保证漆膜厚涂的外观符合要求。
优选的，所述润湿剂为聚醚硅氧烷类润湿剂。
聚醚硅氧烷类润湿剂相容性佳、重涂性佳、强防缩孔，能降低基材表面张力，减低水的表面能，水性漆膜能更好的铺展在底材表面，可以避免漆膜出现一些缩孔、针孔等缺陷，增强流平性能，同时与水和有机溶剂的相容性好，在漆膜厚涂时，表面橘纹降低，外观更好。
优选的，所述ph调节剂为二甲基乙醇胺。
二甲基乙醇胺碱性强，可以调节水性涂料的体系ph值，相比氨水，它的挥发慢，性能稳定。水性涂料只有在弱碱性的环境下，体系性能才最稳定，施工性能才有保证，包括厚涂性能。
优选的，按重量份计，所述固化剂包括：hdi三聚体50-60份，ipdi15-20份，乙二醇丁醚醋酸酯25-30份。
优选的，所述溶剂为水。
本发明是一个水性丙烯酸聚氨酯面漆，除极少量的助溶剂之外，只能用水做为溶剂，以降低voc。同时，为了满足水性面漆，其原料的选择上也做诸多优化选择，整体配方需要在水溶性、漆膜外观、耐候性、耐水和耐化性能之间协调平衡。
本发明的另一目的在于，提供所述水性丙烯酸聚氨酯面漆的制备方法，包括以下步骤：
s1、先将1号羟基聚丙烯酸酯水分散体、分散剂、气相二氧化硅、表面活性剂、消泡剂、部分溶剂、颜填料混合，得预分散浆；然后将预分散浆研磨，再加入羟基苯乙烯丙烯酸共聚物、2号羟基聚丙烯酸酯水分散体、润湿剂、紫外光吸收剂，光稳定剂、增稠剂分散均匀，再加入ph调节剂调节ph为8.0-8.2，最后加入饱和聚酯树脂、助溶剂、剩余溶剂，搅拌10-15分钟，再加入ph调节剂调节ph为8.2-8.5，最后过滤，待用；
s2、将hdi三聚体、ipdi、乙二醇丁醚醋酸酯混合，分散均匀待用；
s3、使用时将漆料与固化剂按100:30的重量配比混合。
所述步骤s1中将1号羟基聚丙烯酸酯水分散体、分散剂、气相二氧化硅、表面活性剂、消泡剂、部分溶剂、颜填料预先分散，使颜填料达到足够小的研磨细度，借助研磨的颗粒间的巨大剪切力，使得其漆膜表面性能更优。而部分水性乳液或助剂不能进行大的剪切，会使得它们的性能降低，所以将能研磨的原料做成预分散浆，分步骤制备。
所述溶剂为水，分批次多次加入水的目的是保证产品有合适的粘度，不能粘度太大也不能粘度太小。
水性涂料只有在弱碱性的环境下，体系性能才比较稳定，所述步骤s1中加入ph调节剂一方面是为了保证体系的稳定性，另一方面是为了使体系的粘度会加大到合适的程度。首次调节ph值为8.0-8.2，是为了体系在弱碱环境下，保持体系的稳定，同时粘度不要太高，不适合后续原料的加入，影响分散的效果。最后将所有原材料加入后，调节ph值是为了保持体系稳定。ph值为8.2-8.5是经过试验最好的体系碱性环境状态。
本发明的另一目的在于，提供所述水性丙烯酸聚氨酯面漆的应用，所述水性丙烯酸聚氨酯面漆可应用于机车车体外墙厚涂用，其中漆膜厚度为60μm以上。
下面对本发明做进一步的解释：
(1)羟基聚丙烯酸分散体中的官能团羟基(－oh)与hdi三聚体、ipdi中的异氰酸酯(－n＝c＝o)起反应交联固化成膜，各种耐化性能和耐候性能优异。
(2)羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂，树脂的羟基含量低，交联反应产生的co2能释放出来，不产生气泡。同时该树脂的玻璃化温度高达56℃，漆膜不易流挂，适合厚涂。
(3)饱和聚酯树脂，不含有机溶剂100％固含，能有效提高涂料产品的光泽度、膜厚、弹性性能、表面硬度和抗化性能。
(4)缔合型聚氨酯增稠剂，缔合增稠剂是疏水缔合型水溶性聚合物，在亲水性大分子链上带有少量疏水基团的水溶性聚合物。在聚合物水溶液中，疏水基团之间由于憎水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合，对水溶液的流变性带来极大影响。在临界缔合浓度以上，形成分子间缔合为主的超分子结构，增大了流体力学体积，故具有较好的增稠性，由于缔合增稠剂相对分子质量较低的水溶链上带有两个或更多的亲油基团，因此，在水中有表面活性剂的行为，可以形成胶束。但分子中的两个亲油基团并不一定在同一胶束内，所以连接而形成了结构。缔合增稠剂中的亲油基团可以吸附乳液颗粒和颜料颗粒，这又增强了结构。而且被增稠剂大分子架桥的微粒形成物理网状(交联)结构，该网状结构可在剪切场中受到逐渐破坏，因此可以控制体系的流动性质。这样的缔合在高剪切速率下脱开，使黏度降低，剪切除去后又重新形成，使黏度恢复。但缔合的形成需要时间，所以黏度的恢复不像纤维素类那样快，从而给出了一定的流动时间，有利于流平，有利于光泽的提高。
(5)ipdi固化剂，优秀的耐光学稳定，和耐化学药品性。它的异氰酸酯基反应活性较低，可延长涂料的使用期。适合大工件长时间的涂装施工。由于它分子中带环烷烃结构，固化网络结构的强度又优于其它脂肪族异氰酸酯，漆膜的耐黄变性能优异。
各种原料都有各自的作用，保证各项产品性能：羟基聚丙烯酸分散体和羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂与异氰酸酯固化剂交联反应生成漆膜，保证漆膜的力学性能和耐化、耐候性能。饱和聚酯与异氰酸酯固化剂交联反应，提高漆膜的光泽度、膜厚、弹性性能、表面硬度和抗化性能，增稠剂形成网状结构，吸附乳液颗粒和颜料颗粒，提升涂料的粘度，提升漆膜的抗流挂性能。组分之间也相互反应，相互影响，从而达到性能之间的平衡。
本发明的技术要点：羟基聚丙烯酸酯水分散体中的官能团羟基(－oh)与异氰酸酯(－n＝c＝o)起反应交联固化成膜耐化性能和耐候性能优异。
本发明用羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂，树脂的羟基含量低，交流反应产生的co2能释放出来，不产生气泡。同时该树脂的玻璃化温度高达56℃，漆膜不易流挂，适合厚涂，且流平性好。
本发明用饱和聚酯树脂，高固含(≥96％)，能有效提高涂料产品的光泽度、膜厚、弹性性能、表面硬度和抗化性能。
本发明用固化剂为hdi三聚体和ipdi，hdi三聚体能保证漆膜不黄变和高硬度的情况下，有好的柔韧性和干燥性,ipdi固化剂与氰酸酯基反应活性较低，可延长涂料的使用期。适合大工件长时间的涂装施工。由于它分子中带环烷烃结构，固化网络结构的强度又优于其他脂肪族异氰酸酯，使漆膜具有优秀的耐光学稳定，和耐化学药品性。
本发明用气相二氧化硅具有优异的防沉降性能，提升产品的储存稳定性能。
本发明用缔合型聚氨酯增稠剂，一种疏水缔合型水溶性聚合物，在亲水性大分子链上带有少量疏水基团的水溶性聚合物。在聚合物水溶液中，疏水基团之间由于憎水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合，这样的缔合在高剪切速率下脱开，使黏度降低，剪切除去后又重新形成，使黏度恢复。但缔合的形成需要时间，所以黏度的恢复不像纤维素类那样快，从而给出了一定的流动时间，有利于流平，有利于漆膜光泽的提高。
本发明用聚醚硅氧烷类润湿剂相容性佳、重涂性佳、强防缩孔，阴离子型聚合物分散剂其对涂料体系浓缩浆的分散效果及储存稳定性均匀较佳。消泡剂为硅氧烷类消泡剂，其具有好的消泡效果；紫外光吸收剂及光稳定剂可以使漆膜提高耐老化性能。
本发明用助溶剂为环保的二元醇醚酯类高沸点溶剂，有优异的溶解能力，少量的加入可有效提升漆膜的流平性能。
本发明的水性丙烯酸聚氨酯面漆具有以下优点：
(1)漆膜厚涂性能好。采用低羟的羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂，交联反应产生的co2能释放出来，不产生气泡。同时该树脂的玻璃化温度高达56℃，漆膜不易流挂，适合厚涂。一道涂装不流挂、漆膜不起泡、较好的流平性能，最高起泡膜厚达到120μm。
(2)漆膜耐候性、保光保色性好。采用羟基聚丙烯酸酯水分散体与hdi和ipdi类固化剂的交联反应，使得漆膜有好的耐化、耐候和保光保色性能。
(3)漆膜的光泽高、韧性好。漆膜光泽(20°)：82-85。采用饱和聚酯树脂，有效提高涂料产品的光泽度、膜厚、弹性性能、表面硬度和抗化性能。
(4)漆膜的储存稳定和抗流挂性能好。选用气相二氧化硅和缔合型聚氨酯增稠剂，长期存储涂料不沉降结块，喷涂时湿膜不易流坠，同时有一定的流动时间，有利于漆膜流平，减轻表面的橘纹。
(5)voc含量极低，无溶剂气味。所用树脂为水性乳液和高固含的聚酯树脂，助溶剂用量不超过1％，所有溶剂为去离子水，真正的环保水性涂料。
(6)原来一台机车面漆2遍涂装，涂装间隔1小时，缩短为1遍涂装，每台车的施工时间缩短1.5小时综合性能好，且其综合性能优越，其性能可满足中国铁路总公司q/cr546.1-2016标准要求。
附图说明
图1为水性丙烯酸聚氨酯面漆的制备流程图。
具体实施方式
实施例1
一种水性丙烯酸聚氨酯面漆，包括漆料和固化剂两部分，按重量份计，原料组成如表1所示；
表1本发明的三个配方
所述的水性丙烯酸聚氨酯面漆的制备步骤为：
a、漆料的制备：将组成漆料的上述16种原料按重量配比，先将1号羟基聚丙烯酸酯水分散体倒入容器缸中，并把容器缸置于分散机下进行分散，调节转速为500-800转/分钟，然后在搅拌状态下依次加入分散剂、气相二氧化硅、表面活性剂、消泡剂、去离子水、颜(填)料。加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌20-30分钟，即得预分散浆；然后用隔膜泵将预分散浆泵如砂磨机中，研磨至细度≤10μm出料，再将羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂、2号羟基聚丙烯酸酯水分散体、润湿剂、紫外光吸收剂，光稳定剂、增稠剂加入，加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌10-15分钟，再加入dmea溶液调节ph为8.0-8.2，搅拌10-15分钟，最后加入饱和聚酯树脂、助溶剂、剩余的去离子水，搅拌10-15分钟，再加入dmea溶液调节ph为8.2-8.5，最后加去离子水调粘度，用120目的滤网过滤，除去机械杂质，用塑料桶包装待用；
b、固化剂的制备：先将上述固化剂原料中的hdi三聚体、ipdi，按重量配比加入到容器缸中，并把容器缸置于分散机下进行分散，调节转速为500-800转/分钟，然后在搅拌状态下加入乙二醇丁醚醋酸酯，加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌5-10分钟。包装待用；
c、机车车辆用厚涂型水性面漆的制备：在使用时将漆料与固化剂按100:30的重量配比进行搅拌混合，施工时可用适量去离子水调节施工粘度。
注：以上1号羟基聚丙烯酸分散体为neocryltmxk-542羟基聚丙烯酸分散体,帝斯曼中国有限公司生产；羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂为
机车车辆用厚涂型水性丙烯酸聚氨酯面漆标准：q/cr546.1-2016主要性能检验要求、结果如下：
表2水性丙烯酸聚氨酯面漆的性能结果
实施例2
按重量份计，按表3所示的配方准备原料；
表3本发明的对比的六个配方
所述的水性丙烯酸聚氨酯面漆的制备步骤为：
a、漆料的制备：将组成漆料的上述原料按重量配比，先将1号羟基聚丙烯酸酯水分散体倒入容器缸中，并把容器缸置于分散机下进行分散，调节转速为500-800转/分钟，然后在搅拌状态下依次加入分散剂、气相二氧化硅、表面活性剂、消泡剂、去离子水、颜(填)料。加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌20-30分钟，即得预分散浆；然后用隔膜泵将预分散浆泵如砂磨机中，研磨至细度≤10μm出料，再将羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂、2号羟基聚丙烯酸酯水分散体、润湿剂、紫外光吸收剂，光稳定剂、增稠剂加入，加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌10-15分钟，再加入dmea溶液调节ph为8.0-8.2，搅拌10-15分钟，最后加入饱和聚酯树脂、助溶剂、剩余的去离子水，搅拌10-15分钟，再加入dmea溶液调节ph为8.2-8.5，最后加去离子水调粘度，用120目的滤网过滤，除去机械杂质，用塑料桶包装待用；
b、固化剂的制备：先将上述固化剂原料中的hdi三聚体、ipdi，按重量配比加入到容器缸中，并把容器缸置于分散机下进行分散，调节转速为500-800转/分钟，然后在搅拌状态下加入乙二醇丁醚醋酸酯，加料完毕后，调节分散机转速为1000-1200转/分钟，搅拌5-10分钟。包装待用；
c、机车车辆用厚涂型水性面漆的制备：在使用时将漆料与固化剂按100:30的重量配比进行搅拌混合，施工时可用适量去离子水调节施工粘度。
注：以上1号羟基聚丙烯酸分散体为neocryltmxk-542羟基聚丙烯酸分散体,帝斯曼中国有限公司生产；羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂为
机车车辆用厚涂型水性丙烯酸聚氨酯面漆标准：q/cr546.1-2016主要性能检验要求、结果如下：
表4实施例2的水性丙烯酸聚氨酯面漆的性能结果
可见，若不使用羟基苯乙烯丙烯酸共聚物树脂，涂料的厚涂流挂性能将降低。若不使用1号羟基聚丙烯酸分散体流平性变差，漆膜光泽会下降，若不使用2号羟基聚丙烯酸分散体，漆膜的丰满度和耐候性能会降低。不使用hdi固化剂，漆膜的所有力学性能将变差，硬度降低，干燥时间延长。不使用ipdi固化剂，产品的活化期会缩短，漆膜的耐化性和耐黄变性能会降低。不使用缔合型聚氨酯增稠剂，使用一般常用本领域常用的无机增稠剂气相二氧化硅替代，漆膜的粘度增大，需水量也增加，同时抗流挂性能降低，立面喷涂的流平性变差。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
